AROMATISK NUKLEOFIL SUBSTITUTION: EFFEKTER, EXEMPEL - KEMI - 2026

Den nukleofila aromatiska substitutionen (SNAr) är en reaktion som sker i organisk kemi, som involverar förskjutningen av en god lämnande grupp av en nukleofil som kommer in. Med tanke på dess mekanism och elektroniska aspekter är det den motsatta sidan av den elektrofila aromatiska substitutionen (SEAr).

I allmänhet är den lämnande gruppen en halogen, som kommer ut som halogenidjon X ^- . Denna reaktion kan endast äga rum om den aromatiska ringen (mestadels bensen) är bristfällig i elektroner; det vill säga om den har elektron-dragande substituentgrupper.

Allmän ekvation för en aromatisk nukleofil substitution. Källa: Sponk

Den övre bilden visar vad som sades i föregående stycke. Elektronattraktionsgruppen EWG (för dess förkortning på engelska: Electron Withdrawing Group) aktiverar den aromatiska ringen för den nukleofila attacken av den negativa arten Nu ^- . Det kan ses att en mellanprodukt bildas (i mitten), från vilken haliden X ^- frigörs eller går ut .

Observera att X i enkla termer ersätter Nu med en aromatisk ring. Denna reaktion är mycket mångsidig och nödvändig i syntesen av nya läkemedel, liksom i syntetiska organiska kemiundersökningar.

Allmänna funktioner

Den aromatiska ringen kan "laddas" eller "urladdas" av elektroner beroende på vad dess substituenter är (de som ersätter den ursprungliga CH-bindningen).

När dessa substituenter kan donera elektrondensitet till ringen sägs de berika den med elektroner; Om de å andra sidan är attraherare av elektrontäthet (EWG som nämns ovan), sägs de förvärra elektronringen.

I båda fallen aktiveras ringen för en specifik aromatisk reaktion, medan den är inaktiverad för den andra.

Till exempel sägs en elektronrik aromatisk ring vara aktiv för aromatisk elektrofil substitution; det vill säga, den kan donera sina elektroner till en elektrofil fil, E ⁺ . Det kommer dock inte att donera elektroner till en Nu ^- art , eftersom de negativa laddningarna skulle stöta bort varandra.

Om ringen är dålig i elektroner har den inte hur man ger dem till E ⁺ -arten (SEAr förekommer inte); Å andra sidan är det finns att ta emot elektronerna i Nu ^- arter (den RSNA utvecklas).

Skillnader med aromatisk elektrofil substitution

När de allmänna inmatningsaspekterna har klargjorts kan nu några skillnader mellan SNAr och SEAr listas:

- Den aromatiska ringen fungerar som en elektrofil (elektronbrist) och attackeras av en nukleofil.

- En lämnande grupp X är substituerad från ringen; inte en H ⁺

- Karbocationer bildas inte utan mellanhänder med en negativ laddning som kan delokaliseras av resonans

- Närvaron av fler attraktionsgrupper i ringen påskyndar substitutionen istället för att bromsa ner den

- Slutligen har dessa grupper inte direkta effekter på var (på vilket kol) substitutionen kommer att ske. Substitution kommer alltid att ske vid kolet som är bundet till lämnande grupp X.

Den sista punkten illustreras också på bilden: CX-bindningen bryts för att bilda den nya C-Nu-bindningen.

Effekter redigera

Av antalet substituenter

Naturligtvis, ju mer elektronfattig ringen är, desto snabbare blir rSNA och desto mindre drastiska villkor för att den ska uppstå. Tänk på följande exempel representerat på bilden nedan:

Effekter av substituenter på 4-nitroklorobensen-substitutioner. Källa: Gabriel Bolívar.

Observera att 4-nitroklorobensen (blå ring) kräver drastiska förhållanden (högt tryck och en temperatur på 350 ºC) för att substitution av Cl med OH ska ske. I detta fall är klor den lämnande gruppen (Cl ^- ) och hydroxid nukleofilen (OH ^- ).

När NO ₂ gruppen visas , vilket är en elektron attractor (grön ring), kan substitutionen utföras vid en temperatur av 150 ° C vid omgivningstryck. Som antalet NO ₂ grupper närvarande ökar (lila och röda ringar), sker substitutionen rum vid lägre och lägre temperaturer (100 ° C och 30 ° C, respektive).

Därför påskyndar NO _2- grupperna rSNA och berövar ringen av elektroner, vilket gör det mer mottagligt för attack av OH ^- .

De relativa positionerna för Cl med avseende på NO ₂ i 4-nitrochlorobenzene, och hur dessa förändrar reaktionshastigheten, kommer inte att förklaras här ; till exempel är reaktionshastigheterna för 2-nitroklorobensen och 3-nitroklorobensen olika, varvid den senare är den långsammaste jämfört med de andra isomererna.

Från den utgående gruppen

Genom att ta om 4-nitroklorobensen är dess substitutionsreaktion långsammare jämfört med den för dess fluorerade motsvarighet:

Effekten av den lämnande gruppen vid SNAr-reaktioner. Källa: Gabriel Bolívar.

Förklaringen till detta kan inte ligga i en annan variabel än skillnaden mellan F och Cl. Fluor är en fruktansvärd lämnande grupp, eftersom CF-bindningen är svårare att bryta än C-Cl-bindningen. Därför är brytningen av denna bindning inte det hastighetsbestämande steget för rSNA, utan tillsatsen av Nu ^- till den aromatiska ringen.

Eftersom fluor är mer elektronegativt än klor, har den kolatom som är kopplad till den en större elektronisk brist (C ^{5 +} -F ⁵ ). Följaktligen är kolet i CF-bindningen mycket mer mottagligt för att attackeras av Nu ^- än C-Cl-bindningen. Det är därför substitutionen av F med OH är mycket snabbare än den för Cl för OH.

Exempel

Elektrofil aromatisk substitution av 2-metyl-4-nitrofluorobensen med para-cresol. Källa: Gabriel Bolívar.

Slutligen visas ett exempel på denna typ av organiska reaktioner nedan i bilden ovan. Para-cresol verkar inte vara en nukleofil; men eftersom det finns ett basiskt medium avskyddas OH-gruppen, kvarstår som en fenoxidanjon, som attackerar 2-metyl-4-nitrofluorobensen.

När denna attack inträffar sägs nukleofilen lägga till elektrofilen (den aromatiska ringen av 2-metyl-4-nitrofluorobensen). Detta steg kan ses till höger om bilden, där mellanföreningen bildas med båda substituenterna som tillhör ringen.

När para-cresol läggs till visas en negativ laddning som är delokaliserad av resonans i ringen (notera att den inte längre är aromatisk).

Bilden visar bara den sista resonansstrukturen, från vilken fluor slutar som F ^- ; men i verkligheten får den nämnda negativa laddningen flytta till och med i syreatomerna i NO _2- gruppen . Efter tillsatssteget kommer elimineringssteget, det sista steget, som är när produkten slutligen formas.

Slutlig kommentar

Den återstående NO ₂ grupp kan reduceras till NH ₂ -grupp , och därifrån är det möjligt att utföra ytterligare syntesreaktioner för att modifiera den slutliga molekylen. Detta belyser den syntetiska potentialen hos rSNA, och att dess mekanism också består av två steg: ett för tillsats och det andra för eliminering.

För närvarande finns det emellertid experimentella och beräknande bevis för att reaktionen faktiskt fortskrider enligt en samordnad mekanism, där båda stegen sker samtidigt via ett aktiverat komplex och inte en mellanprodukt.

referenser

1. Morrison, RT och Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5: e upplagan. Redaktionell Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjätte upplagan). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10: e upplagan.) Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Nukleofil aromatisk substitution. Återställd från: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (06 september 2019). Nucleophilic Aromatic Substitution (NAS). Återställd från: masterorganicchemistry.com
6. Kemi LibreTexts. (05 juni 2019). Nukleofil aromatisk substitution. Återställd från: chem.libretexts.org